1.7 Методы борьбы с напряжениями, деформациями и дефектами сварных швов.

В процессе образования сварного соединения в металле шва и околошовной зоны могут возникнуть дефекты, которые в зависимости от причин, их вызывающих, делятся на две группы: первая — дефекты, связанные с особенностями технологических и тепловых процессов, протекающих непосредственно при нагреве, кристаллизации и остывании сварного соединения. Вторая— дефекты формирования шва, их происхождение связано с нарушением режима сварки, неправильной подготовкой под сварку, неисправностью сварочной аппаратуры и другими причинами общего характера. По способам обнаружения дефекты делятся на внешние и внутренние- К внешним относятся дефекты, расположенные на поверхности сварного соединения и обнаруживаемые невооруженным глазом или с помощью лупы. Внутренними называются дефекты, не выходящие на поверхность сварного соединения и наблюдаемые с помощью специальной аппаратуры.

Дефекты технологических и тепловых процессов сварки. К дефектам указанной группы относятся кристаллизационные трещины, поры, холодные трещины, неметаллические включения, несплавление.

Кристаллизационными (горячими) трещинами называются микро- или макроскопические, имеющие характер надреза, несплошности, зарождающиеся в интервале температур кристаллизации металла. Трещины могут развиваться при остывании металла в твердом состоянии. По отношению к оси шва трещины делятся на продольные и поперечные. Продольные трещины могут располагаться по оси шва в месте стыка столбчатых кристаллитов или между соседними кристаллитами. Поперечные трещины располагаются между соседними кристаллитами. Кристаллизационные трещины являются одним из основных видов брака при сварке. Наличие трещин в сварном соединении не допускается, так как они могут послужить причиной разрушения изделия.

Несплошности (пустоты) между кристаллитами по оси шва или по его сечению называются порами. Поры могут выходить или не выходить на поверхность сварного шва, они располагаются цепочкой или группами. Поры являются недопустимым дефектом для сварных швов изделий, работающих под давлением или вакуумом, предназначенных для хранения и транспортирования жидких и газообразных продуктов. По сравнению с трещинами поры менее опасны, однако их наличие нежелательно.

В отличие от кристаллизационных (горячих) холодные трещины образуются в сварных соединениях при невысоких температурах (ниже 200 °С)- Особенностью холодных трещин является замедленный характер их развития. Холодные трещины в основном зарождаются по истечении некоторого времени после сварки и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяются по глубине и длине. Холодные трещины — это типичный дефект сварных соединений из средне- и высоколегированных сталей. Холодные трещины в металле шва появляются, главным образом, в том случае, когда по содержанию углерода и легирующих элементов металл шва близок к составу основного металла. Эти трещины имеют такой же вид, как и кристаллизационные. Холодные трещины залегают в металле шва и в околошовной зоне.

Неметаллическими включениями называют посторонние частицы, оставшиеся в металле шва (частный случай — шлаковые включения). Неметаллические включения образуются в результате реакций, протекающих в жидком металле, и попадания частичек покрытия электродов и других материалов, соприкасающихся с жидким металлом. Неметаллические включения нежелательны, так как приводят к снижению ударной вязкости металла шва, прочностных характеристик и деформационной способности.

При дуговой сварке образуется зона несплавления в том случае, если к моменту заполнения углубления, появившегося в основном металле под сварочной дугой, жидкая пленка, покрывающая поверхность, успела закристаллизоваться, а запас теплоты, накопленный в сварочной ванне, недостаточен для повторного расплавления основного металла. Для предупреждения образования зоны несплавления на практике с увеличением скорости сварки необходимо соответственно повышать коэффициент формы шва.

Дефекты формирования шва. Из-за неправильного выбора режима сварки, отклонений параметров режима от заданных, неправильной подготовки изделия под сварку, неисправности аппаратуры в сварном соединении могут возникнуть дефекты — непровары, подрезы, наплывы и прожоги.

Непровар представляет собой отсутствие расплавления основного металла и соединения свариваемых элементов по их толщине. Такой вид непровара называется непроваром в корне шва или по сечению. Бывает непровар по кромкам разделки или между слоями шва, когда нет соединения между металлами основным и шва и между отдельными слоями при многослойной сварке. Непровар в корне шва образуется из-за уменьшения сварочного тока, увеличения напряжения на дуге или скорости сварки, уменьшения скорости сварки (расплавленный металл сварочной ванны затекает вперед ня холодный основной металл и не сплавляется с ним), неточного направления электрода по оси разделки, неправильного возобновления процесса сварки после смены электрода. Непровар по кромке является следствием изменения формы шва из-за уменьшения напряжений или увеличения скорости сварки, что приводит к несовпадению формы шва или слоя с формой разделки. Этот вид непровара вызывается недостаточно точным направлением электрода по отношению к свариваемым кромкам, неправильной последовательностью наложения слоев при многослойной сварке, большой шириной зазора, превышающей ширину шва. При величине непровара, превосходящего допустимые для данного изделия пределы, участок шва удаляется и заваривается вновь.

Подрезом называется местное уменьшение толщины основного металла у границы шва. Наиболее часто подрезы образуются в угловых соединениях и при сварке многослойных швов. Реже — при сварке однослойных стыковых швов. В большинстве случаев подрез появляется при значительно повышенном напряжении на дуге или из-за плохо выполненной сварки. Образование подрезов при сварке стыковых швов без разделки связано с плохим растеканием части металла шва, усиливающим шов. Подрез вызывает уменьшение сечения основного металла и приводит к резкой концентрации напряжений, когда он расположен перпендикулярно к направлению главных напряжений, действующих на сварное соединение. Если глубина подреза превышает 1 — 2 мм (в зависимости от толщины основного металла), то дефектный участок заваривают. При меньшей глубине подрез следует зачистить механическим способом.

Натекание расплавленного металла на поверхность основного металла без сплавления с ним называется наплывом. Наплывы в основном наблюдаются при сварке стыковых и тавровых соединений. Для предотвращения появления наплывов необходимо увеличить напряжение на дуге (увеличение ширины шва) или уменьшить количество наплавляемого металла. Наплыв устраняется удалением лишнего металла механическим способом.

В конце процесса сварки при обрыве дуги образуется углубление, называемое кратером. Кратер ослабляет шов и является источником появления трещин. Если сварка ведется без выводных планок, то кратер следует тщательно заваривать и обрывать дугу уже на заваренном участке шва. Не следует выводить кратер на основной металл, так как это приводит к образованию подрезов.

Шлаковые включения представляют собой видимые невооруженным глазом участки шлака, расположенные в металле шва у границы сплавления, между слоями наплавленного металла или в корне шва. Шлаковые включения образуются из частиц шлака расплавленного покрытия электродов, остатков плохо очищенной шлаковой корки. Если наличие шлаковых включений превышает допустимые для данного изделия нормы, то дефектные участки вырубаются и завариваются заново.

Недопустимым дефектом в швах являются прожоги, которые представляют собой пустоты в шве, появившиеся в результате вытекания сварочной ванны. Прожоги образуются при значительно большем сварочном токе, зазоре, чем требуется по технологии, изменении наклона электрода или изделия. Места прожогов должны быть зачищены и заварены заново.

Влияние дефектов на прочность сварных соединений. Влияние дефектов на механические свойства сварных соединений определяется величиной и формой дефектов, частотой их повторения, материалом конструкции, условиями эксплуатации и характером нагрузки. Поэтому наличие дефектов в сварных соединениях еще не означает потерю их работоспособности. Но дефекты могут существенно снижать работоспособность конструкций и при определенных условиях привести к их разрушению. Следовательно, для определения надежности сварных конструкций и установления требований, предъявляемых к качеству сварных соединений, необходимо располагать сведениями о влиянии наиболее вероятных дефектов на прочность соединений. Наибольшую опасность для конструкций представляют внутренние дефекты, так как их надо обнаружить, не разрушая сварного соединения.

В конструкциях, работающих при статических и динамических нагрузках, одни и те же дефекты неодинаково влияют на сварные соединения. При статической нагрузке основное влияние на прочность конструкций, работающих при температурах до —60 °С, оказывает относительная величина дефекта при условии, что материал сварного соединения имеет большой запас пластичности. При более низких температурах прочность характеризуется интенсивностью напряжений в зоне дефекта. При динамических нагрузках прочность сварных соединений определяется их сопротивлением усталостным напряжениям. Подрезы’, поры, шлаковые включения и не-провары снижают долговечность конструкций, являясь причинами образования концентрации напряжений. Трещины любой величины, как правило, не допускаются в сварных соединениях, так как способствуют концентрации внутренних напряжений, легко распространяясь при этом в глубь металла.

Степень влияния подрезов на усталостную прочность зависит от глубины подреза, величины остаточной напряженности и вида сварного соединения. Так, у трубопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов не допускаются подрезы в местах перехода сварного шва к основному металлу глубиной более 0,1 толщины стенки трубы, но не более 1 мм. На одном стыке допускается подрез общей протяженностью не более 30% длины шва. Сварные стыки трубопроводов, работающих при условном давлении от 10 до 100 МПа (от 100 до 1000кгс/см2) и температуре от —50 до +510°С, бракуют при наличии подрезов в местах перехода от шва к основному металлу длиной более 20% протяженности шва при наружном диаметре до 159 мм и длиной более 100 -мм при наружном диаметре свыше 159 мм. Кроме того, сварные стыки трубопроводов бракуют при подрезах глубиной более 5% при толщине стенки до 10 мм и глубиной более 1 мм при толщине стенки более 10 мм. Суммарное влияние подреза и увеличения растягивающих остаточных напряжений может привести к снижению предела выносливости вдвое.

Поры являются причинами усталостных разрушений в угловых, стыковых и в поперечных швах (по отношению к действующей нагрузке) с высокими растягивающими остаточными напряжениями. Поэтому в сварных швах трубопроводов высокого давления не допускаются одиночная пора, сплошная цепочка или сетка пор (независимо от длины и площади) размером более 5% толщины стенки трубы при ее толщине до 20 мм и свыше 1 мм при большей толщине и наличии двух и более пор на 100 мм сварного шва- В нахлесточных соединениях поры практически не влияют на их выносливость. Отрицательное влияние на прочность сварки соединений оказывают также шлаковые включения.

Непровар оказывает большое влияние на ударную прочность металла сварных швов. По данным Института электросварки им. Е. О. Патона, непровар в 10% толщины сварного соединения может наполовину снизить усталостную прочность, а непровар в 40—50% снижает пределы выносливости стали в 2,5 раза.

Эксплуатация сварных конструкций показывает, что сварочные напряжения и деформации в основном не снижают несущей способности конструкций. Но в некоторых случаях изменение размеров и формы сварной конструкции снижает ее работоспособность, портит внешний вид и даже может привести к разрушению. Так, искривление продольной оси элементов конструкций, работающих на сжатие, местное выпучивание, грибовидность полок колонн и балок могут привести к потере устойчивости и разрушению всей конструкции.

Существует общая закономерность снижения прочности сварных конструкций под действием ударной нагрузки при наличии подрезов, пор, шлаковых включений и непроваров. Виды, количество и размеры допускаемых внутренних дефектов зависят от назначения конструкции.